Những thành phần nào tạo nên thiết kế của tủ phân phối mạng nhẫn trung áp?

Là một chuyên gia đã tham gia sâu vào lĩnh vực thiết kế hệ thống điện trong nhiều năm, tôi luôn chú ý đến sự tiến hóa công nghệ và thực hành ứng dụng của thiết bị phân phối vòng trung áp. Là thiết bị điện cốt lõi trong liên kết phân phối thứ cấp của hệ thống điện, thiết kế và hiệu suất của thiết bị này trực tiếp liên quan đến việc vận hành an toàn và ổn định của mạng lưới cung cấp điện. Dưới đây là phân tích chuyên môn về các điểm thiết kế chính của thiết bị phân phối vòng, kết hợp với các tiêu chuẩn ngành và thực hành kỹ thuật.

1. Logic Thiết Kế Tổng Thể và Lập Kế Hoạch Kiến Trúc

Thiết kế tủ phân phối vòng phải tuân thủ nghiêm ngặt yêu cầu vận hành của hệ thống điện và các tiêu chuẩn quốc gia. Nó nên tập trung vào các tình huống sử dụng, đối tượng kiểm soát và đặc điểm của các thành phần điện cốt lõi để xây dựng hệ thống đơn vị chức năng. Các công tắc chính chủ yếu được cấu hình là cầu chì và công tắc tải, và một số ít sử dụng thiết bị điện kết hợp. Trong quá trình thiết kế, ưu tiên được đặt cho mạch kết hợp “công tắc tải + cầu chì”—loại mạch này có cấu trúc phức tạp và có thể được dùng làm tham chiếu để xác định cấu trúc tổng thể, bố cục và kích thước bên ngoài của thiết bị. Các mạch khác, như mạch công tắc tải thuần túy, nên tái sử dụng thiết kế chín muồi của nó càng nhiều càng tốt để đạt được chuẩn hóa và phổ quát.

Dựa trên nền tảng trên, nhiều loại tủ được dẫn xuất: tủ công tắc tải, tủ thiết bị điện kết hợp, tủ cầu chì, tủ đa mạch, v.v. Thiết kế mạch dẫn điện chính cần xem xét hệ thống ba yếu tố cốt lõi: khả năng chịu dòng điện, khả năng chịu lực điện, và hiệu quả tản nhiệt:

• Sắp xếp Thành Phần: Sử dụng khéo léo lực đóng điện để đảm bảo rằng các tiếp điểm di động không rút ra trong các bài kiểm tra ổn định động và nhiệt, đạt được sự phối hợp giữa hiệu suất cơ học và điện.

• Lựa chọn Busbar: Phù hợp chính xác busbar tròn hoặc phẳng theo khả năng chịu dòng điện, kiểm soát hợp lý mật độ dòng điện, và cân bằng giữa khả năng chịu dòng điện và tản nhiệt.

• Tối ưu Hóa Kết Nối Điện: Các tiếp điểm động và tĩnh, kết nối trượt/định vị phải đảm bảo điện trở tiếp xúc thấp. Khi kết nối các dây dẫn kim loại khác nhau, sử dụng các quy trình như mạ thiếc và bạc để kìm hãm ăn mòn điện hóa và loại bỏ mối nguy tiềm ẩn của sự hỏng hóc tiếp xúc.

Thiết kế ngăn theo nguyên tắc “an toàn lên hàng đầu, thích ứng quy trình, và thuận tiện vận hành và bảo trì”: mức bảo vệ không thấp hơn IP3X, vật liệu phân cách (kim loại/non-kim loại) được lựa chọn theo nhu cầu, và thiết bị giảm áp và biện pháp hạn chế hồ quang lỗi được cấu hình—khi xảy ra lỗi hồ quang nội bộ, khí áp suất cao có thể được thải qua kênh giảm áp để đảm bảo an toàn cho thiết bị và nhân viên.

2. Xem Xét Đa Chiều trong Thiết Kế Cấu Trúc Cách Điện

Tủ phân phối cần chịu được điện áp hoạt động tối đa và điện áp quá tải ngắn hạn (điện áp khí quyển và nội bộ) trong thời gian dài. Thiết kế cách điện cần xem xét toàn diện các yếu tố như khả năng thích ứng môi trường, lựa chọn vật liệu, tối ưu hóa cấu trúc, và kiểm soát quy trình:

(1) Tối ưu Hóa Trường Điện và Phối Hợp Cách Điện

Hình dạng của dây dẫn直接影响了柜内的电场分布。在设计中，应使用圆铜排、圆棒母线，并优化动、静触座、内部导体和支撑电极的形状，以消除尖角和边缘，使电场更加均匀。借助有限元分析软件（如ANSYS Maxwell），可以准确定位绝缘薄弱环节。通过布局调整和结构优化（如应用屏蔽技术），可以使电场均匀化，降低最大场强，提高绝缘可靠性。

(2) 多种绝缘介质的应用逻辑

• 空气绝缘：对于以空气为主体的复合绝缘，在设计时必须严格遵守标准规定的电气间隙和爬电距离，以平衡绝缘性能和设备紧凑性。

• 气体绝缘：气体绝缘柜大多使用SF₆、N₂、干燥压缩空气或混合气体作为绝缘介质（在低压范围内）。尽管气压不高，但密封设计至关重要—需要注意长时间运行时由于渗透导致的气体成分变化（如空气渗入和绝缘气体外泄）。对于无电弧分解产物的充气隔室，必须精确控制水分含量：当额定压力≤0.05MPa时，应≤2000μL/L；当＞0.05MPa时，允许的水分含量按-10°C下的饱和水蒸气压计算。

• 接口与固体绝缘： 当固体绝缘部件对接时，使用硅橡胶等弹性材料消除空气间隙，提高接口绝缘水平（与表面压力、光洁度和接触长度有关）。使用环氧树脂和硅橡胶等材料浇注和硫化封装高压元件，并覆盖接地/半导层，可以显著提高安全水平，减小设备体积，简化布局。

3. 机械传动与联锁系统的精准设计

机械传动涵盖了断路器操作机构、隔离开关、接地开关和门联锁等环节。设计需要从原理、布局、受力方式（压力/拉力）、跨距、传动比、行程角度和机械效率等方面进行优化：简化结构，减少零件数量，降低操作力，实现“合理受力、可靠传动、稳定运行、方便操作维护”。

“五防”联锁是确保操作安全的核心—优先采用机械联锁（由杠杆、连杆、挡板等组成锁具，程序清晰，直观可靠）；如果部件相距较远或难以实现机械联锁，则补充电气联锁；智能柜可以叠加微机软件编程联锁（与机械联锁结合使用）构建多层次的安全保护系统。

4. 可靠接地系统的构建

接地设计需要覆盖“操作安全”和“故障承受”的双重要求：

• 在检修时，接地开关能够按规定可靠地将主电路接地。

• 壳体底架配备适合故障条件的接地导体和端子，各柜之间通过导体互联，接地开关与接地导体之间有专用回路。

• 接地导体、连接回路及柜间连接必须承受额定短时/峰值耐受电流。

• 框架、盖板、门、隔板等部件电气连续，确保功能单元的接地连接。

• 从壳体金属部件任意点到接地导体通过30A的直流电压降≤3V，确保接地的有效性。

5. 技术演进与发展方向

随着电网改造和电缆下地进程的推进，多回路配电单元正快速向“小型化、模块化、自动化”迭代，推动了SF₆和复合绝缘技术以及高性能组件的创新发展。未来需要重点关注制造工艺升级（如精密加工和集成封装）、电缆连接器优化、限流熔断器迭代、小型操作机构研发及辅助组件创新，以提升国产环网柜的设计制造水平。开发具有“全工况适应、免维护、高可靠性、小型化”特点的新一代环网柜，助力配电自动化，将成为行业突破的关键方向。

Hình dạng của dây dẫn ảnh hưởng trực tiếp đến phân bố trường điện bên trong tủ. Trong thiết kế, cần sử dụng thanh đồng tròn, thanh bus tròn, và tối ưu hóa hình dạng của các ghế tiếp xúc động và tĩnh, dây dẫn nội bộ và điện cực hỗ trợ để loại bỏ các điểm nhọn và cạnh, làm cho trường điện trở nên đồng đều hơn. Với sự giúp đỡ của phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (như ANSYS Maxwell), các yếu tố cách điện yếu có thể được xác định chính xác. Qua điều chỉnh bố trí và tối ưu hóa cấu trúc (như áp dụng công nghệ che chắn), trường điện có thể được đồng nhất và cường độ trường tối đa có thể được giảm, cải thiện độ tin cậy cách điện.

(2) Logic Áp Dụng Của Nhiều Phương Tiện Cách Điện

• Cách Điện Không Khí: Đối với cách điện tổng hợp với không khí là cơ bản, trong thiết kế phải tuân theo nghiêm ngặt khoảng cách điện và khoảng cách bò theo tiêu chuẩn để cân bằng giữa hiệu suất cách điện và tính gọn nhẹ của thiết bị.

• Cách Điện Khí: Tủ cách điện khí chủ yếu sử dụng SF₆, N₂, không khí nén khô hoặc khí hỗn hợp (trong phạm vi áp suất thấp). Mặc dù áp suất khí không cao, nhưng thiết kế kín rất quan trọng—cần chú ý đến sự thay đổi thành phần khí do thấm qua trong quá trình vận hành lâu dài (như thấm không khí và thoát khí cách điện). Đối với các ngăn chứa khí không có sản phẩm phân hủy hồ quang, hàm lượng nước phải được kiểm soát chính xác: khi áp suất định mức ≤ 0.05MPa, nó phải ≤ 2000μL/L; khi > 0.05MPa, giá trị cho phép của hàm lượng nước được tính theo áp suất hơi nước bão hòa ở -10°C.

• Giao Diện và Cách Điện Rắn: Khi các phần cách điện rắn được ghép, sử dụng vật liệu đàn hồi như cao su silicone để loại bỏ các khoảng cách không khí và cải thiện mức cách điện giao diện (liên quan đến áp lực bề mặt, độ bóng và chiều dài tiếp xúc). Sử dụng vật liệu như nhựa epoxy và cao su silicone để đúc và lưu hóa và bọc các thành phần điện áp cao, và phủ chúng bằng lớp đất/ bán dẫn, có thể cải thiện đáng kể mức độ an toàn, giảm kích thước thiết bị và đơn giản hóa bố cục.

3. Thiết Kế Chính Xác Hệ Thống Truyền Động Cơ Khí và Liên Khoa

Truyền động cơ khí bao gồm các liên kết như cơ chế vận hành cầu chì, công tắc cách ly, công tắc nối đất, và khóa cửa. Thiết kế cần được tối ưu hóa từ các kích thước như nguyên lý, bố trí, cách thức tác động (áp lực/kéo), chiều dài, tỷ lệ truyền, góc hành trình, và hiệu suất cơ khí: đơn giản hóa cấu trúc, giảm số lượng bộ phận, và giảm lực vận hành, đạt được “tác động hợp lý, truyền dẫn đáng tin cậy, vận hành ổn định, và thuận tiện vận hành và bảo trì”.

Liên khoa “năm phòng ngừa” là cốt lõi để đảm bảo an toàn vận hành—ưu tiên sử dụng liên khoa cơ khí (gồm các thanh đòn bẩy, thanh nối, tấm chắn, v.v. để tạo khóa, với quy trình rõ ràng, trực quan và đáng tin cậy); nếu các bộ phận xa nhau hoặc khó thực hiện liên khoa cơ khí, bổ sung liên khoa điện; tủ thông minh có thể được chồng chất với lập trình liên khoa bằng phần mềm máy tính (sử dụng kết hợp với liên khoa cơ khí) để xây dựng hệ thống bảo vệ an toàn đa cấp.

4. Xây Dựng Hệ Thống Tiếp Đất Tin Cậy

Thiết kế tiếp đất cần đáp ứng cả hai yêu cầu “an toàn vận hành” và “chịu đựng sự cố”:

• Trong quá trình bảo dưỡng, công tắc nối đất có thể tiếp đất mạch chính theo quy định một cách đáng tin cậy.

• Khung dưới của vỏ được trang bị các dây dẫn tiếp đất và đầu cuối phù hợp với điều kiện sự cố, và các tủ được kết nối với nhau bằng các dây dẫn, với mạch riêng biệt giữa công tắc nối đất và dây dẫn tiếp đất.

• Các dây dẫn tiếp đất, mạch kết nối, và kết nối giữa các tủ phải chịu được dòng điện ngắn mạch định mức.

• Khung, nắp, cửa, vách ngăn, và các thành phần khác phải liên tục điện để đảm bảo kết nối tiếp đất của các đơn vị chức năng.

• Sự sụt áp DC từ bất kỳ điểm nào của các bộ phận kim loại của vỏ đến dây dẫn tiếp đất thông qua 30A ≤ 3V, đảm bảo hiệu quả tiếp đất.

5. Sự Tiến Hóa Công Nghệ và Hướng Phát Triển

Với quá trình chuyển đổi lưới điện và cáp chôn dưới đất, các đơn vị phân phối đa mạch đang nhanh chóng tiến triển theo hướng “nhỏ gọn, mô-đun hóa, và tự động hóa”, thúc đẩy sự phát triển sáng tạo của công nghệ SF₆ và cách điện tổng hợp cũng như các thành phần hiệu suất cao. Trong tương lai, cần tập trung vào nâng cấp quy trình sản xuất (như gia công chính xác và đóng gói tích hợp), tối ưu hóa các kết nối cáp, cập nhật các cầu chì giới hạn dòng, nghiên cứu và phát triển các cơ chế vận hành nhỏ, và đổi mới các thành phần phụ trợ, để cải thiện trình độ thiết kế và chế tạo thiết bị phân phối vòng trong nước. Phát triển thế hệ mới của tủ phân phối vòng với “thích ứng hoàn toàn với mọi điều kiện làm việc, không cần bảo dưỡng, độ tin cậy cao, và nhỏ gọn” để hỗ trợ tự động hóa phân phối sẽ trở thành hướng đi quan trọng để ngành vượt qua.